🐣 😇 👨🏼‍🏭 विभाजित करें और जीतें: पानी के इलेक्ट्रोलिसिस में सुधार 🗜️ 💀 👎

सबसे प्रसिद्ध रासायनिक सूत्रों में से एक है जिसे हमने स्कूल के दिन से एच _{2 के} नाम से जाना हैO हाइड्रोजन ऑक्साइड है, यानी पानी। इस सरल पदार्थ के बिना, हमारे ग्रह पर जीवन पूरी तरह से अलग होगा, अगर बिल्कुल भी। अपने जीवन-देने वाले कार्यों के अलावा, पानी के कई अन्य उपयोग हैं, जिनके बीच हाइड्रोजन (एच) के उत्पादन को उजागर करना लायक है। इसे प्राप्त करने के तरीकों में से एक पानी का इलेक्ट्रोलिसिस है, जब इसे घटकों में विभाजित किया जाता है, अर्थात। ऑक्सीजन और हाइड्रोजन के लिए। यह एक काफी जटिल, महंगा, लेकिन प्रभावी तरीका है। हालांकि, दुनिया में ऐसी कोई चीज नहीं है जिसे वैज्ञानिक सुधारना पसंद नहीं करेंगे। वाशिंगटन विश्वविद्यालय और लॉस अल्मोस नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने पानी के इलेक्ट्रोलिसिस में सुधार करने का एक तरीका पाया, जिसके परिणाम को कम किए बिना अपने आचरण की लागत को काफी कम कर दिया। पानी के इलेक्ट्रोलिसिस में क्या बदलाव लाने थे, ये या उन पदार्थों का उपयोग क्यों किया गया था,और अद्यतन हाइड्रोजन उत्पादन विधि क्या परिणाम दिखाती है? यह हमें वैज्ञानिकों की रिपोर्ट बताएगा। जाओ।

अध्ययन का आधार

हाइड्रोजन कई मायनों में एक अनूठा तत्व है: यह आवर्त सारणी के तत्वों में सबसे हल्का है, और इसका मोनोनेटिक संस्करण ब्रह्मांड में सबसे आम पदार्थ है। इसके अलावा, हाइड्रोजन एक अत्यंत अनुकूल तत्व है जो आसानी से अधिकांश गैर-धातुओं के साथ सहसंयोजक बंधन बनाता है। प्रकृति में, हम किसी पदार्थ की संरचना में अधिक बार हाइड्रोजन को ढूंढते हैं, जिसमें पानी में शामिल हैं, इसके बजाय, अकेले बोलने के लिए।

सामान्य परिस्थितियों में, हाइड्रोजन रासायनिक सूत्र एच _{2 के} साथ एक गंधहीन और बेस्वाद गैस है । इसमें एक तरल समकक्ष भी है - तरल हाइड्रोजन, जो, हालांकि तरल नाइट्रोजन के रूप में बड़े पैमाने पर संस्कृति में लोकप्रिय नहीं है, तापमान के मामले में कोई कम चरम नहीं है: हिमांक बिंदु 9259.14 ° C; क्वथनांक −252.87 ° C

हाइड्रोजन के सभी विशिष्ट अनुप्रयोगों को सूचीबद्ध करने में बहुत समय लगेगा, क्योंकि यह उत्पादन के विभिन्न क्षेत्रों में सक्रिय भाग लेता है: खाद्य उद्योग, धातु विज्ञान, इलेक्ट्रॉनिक्स, अमोनिया, आदि। रॉकेट ईंधन के रूप में हाइड्रोजन के उपयोग का उल्लेख नहीं है।

हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए भी कई तरीके हैं: प्राकृतिक गैस से, कोयले से, और पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से। एक मोटे अनुमान के अनुसार, दुनिया में सालाना लगभग 70 मिलियन टन का उपयोग किया जाता है, जिनमें से केवल 100,000 टन का उत्पादन इलेक्ट्रोलिसिस द्वारा किया जाता है।

यह पद्धतिगत "भेदभाव" अन्य तरीकों की तुलना में हाइड्रोजन के परिणामी संस्करणों के साथ संयोजन में इलेक्ट्रोलिसिस की जटिलता और लागत के कारण है। हालांकि, सुधार के लिए हमेशा एक अवसर होता है, जिस पर बाद में चर्चा की जाएगी, लेकिन क्रम में सब कुछ के बारे में।

ऑक्सीजन और हाइड्रोजन में विभाजन के लिए पानी के इलेक्ट्रोलिसिस की प्रेरक शक्ति बिजली है। वैज्ञानिकों के अनुसार, पानी की कम-तापमान इलेक्ट्रोलिसिस अक्षय ऊर्जा क्षेत्र के लिए विशेष रूप से रुचि रखती है, क्योंकि यह विधि उच्च शुद्धता वाले हाइड्रोजन के रूप में रासायनिक बांडों में अक्षय स्रोतों से बिजली के भंडारण की अनुमति दे सकती है।

पानी के कम तापमान वाले इलेक्ट्रोलिसिस में, KOH (पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड) का एक केंद्रित घोल, एक प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PAC)प्रोटॉन-एक्सचेंज झिल्ली ) या क्षारीय आयनों-विनिमय झिल्ली ( क्षारीय आयनों विनिमय झिल्ली से AEM )।

अन्य विकल्पों पर AEM इलेक्ट्रोलिसिस का मुख्य लाभ इसकी लागत है। यही है, इसके कार्यान्वयन के लिए उत्प्रेरक के रूप में प्लैटिनम समूह धातुओं ( प्लैटिनम-समूह धातुओं से पीजीएम ) का उपयोग करने की आवश्यकता नहीं है । हालांकि, हमेशा एक पकड़ होती है, इस मामले में, क्षारीय विधि की अस्थिरता, दबाव की बूंदों की संवेदनशीलता और हाइड्रोजन उत्पादन की कम दर के कारण।

पारंपरिक क्षारीय इलेक्ट्रोलाइज़र (इलेक्ट्रोलिसिस इकाई) में, एक तरल क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट (30–40 wt।% KOH) इलेक्ट्रोड के माध्यम से फैलता है जो एक छिद्रपूर्ण झिल्ली ( 1a ) द्वारा अलग हो जाते हैं ।

छवि नंबर 1: पानी की कम तापमान वाली इलेक्ट्रोलिसिस की योजना।

यह विधि 60-90 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर 300-400 mA सेमी ^-2 की वर्तमान घनत्व और 1.7-2.4 वी के एक वोल्टेज पर काम करती है। वैज्ञानिक यह भी ध्यान देते हैं कि सीओ _{2 के} लिए तरल केओएच बहुत संवेदनशील है , जो हवा में प्रचुर मात्रा में है, के के परिणामस्वरूप बनता है। _२ सीओ _३ । यह प्रक्रिया, बदले में, एनोडिक प्रतिक्रिया और आयनिक चालकता को कम करती है, और परिणामस्वरूप K ₂ CO ₃ , गैस प्रसार परत के छिद्रों में जमा होता है, जिससे आयन स्थानांतरण अवरुद्ध हो जाता है। निष्कर्ष काफी सरल है - KOH पर आधारित इलेक्ट्रोलिसिस का प्रदर्शन इसके गुणों के कारण कम हो गया है, जिन्हें नियंत्रित करना बेहद मुश्किल है।

एक विकल्प के रूप में, आयन-एक्सचेंज झिल्ली पर आधारित इलेक्ट्रोलाइज़र कार्य कर सकते हैं, जो एक बहुलक इलेक्ट्रोलाइट के साथ एक तरल इलेक्ट्रोलाइट को बदल सकते हैं। पीईएम इलेक्ट्रोलाइजर आमतौर पर क्षारीय इलेक्ट्रोलाइजर्स की तुलना में उच्च वर्तमान घनत्व (1-3 ए ~ ^-2 वी ~ 2.0 वी) पर काम करते हैं , क्योंकि प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली में एक उच्च चालकता है। ( 1 बी )।

पानी के पीईएम इलेक्ट्रोलिसिस में ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग उच्च दबाव की बूंदों (200-400 साई) पर दीर्घकालिक और स्थिर संरचनात्मक गुणों के साथ एक कॉम्पैक्ट सिस्टम बनाना संभव बनाता है। लेकिन यहां तक कि इस पद्धति में इसकी कमियां हैं, विशेष रूप से, इलेक्ट्रोलिसिस के लिए स्थापना की उच्च लागत, महंगी एसिड प्रतिरोधी उपकरण और प्लैटिनम समूह धातुओं की आवश्यकता के कारण।

पिछले कुछ वर्षों में एईएम इलेक्ट्रोलिसिस में कई बदलाव हुए हैं। सबसे महत्वपूर्ण में से एक बहुलक एईएम ( 1 सी ) का निर्माण है । क्षारीय एईएम इलेक्ट्रोलिसिस अन्य तरीकों के कई लाभों को जोड़ती है: पीजीएम के बिना उत्प्रेरक का उपयोग करने की क्षमता; केंद्रित क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट्स के बजाय शुद्ध पानी या कम एकाग्रता क्षारीय समाधान का उपयोग करने की क्षमता; उच्च चालकता और पतले एईएम के कारण कम ओमिक नुकसान। इसके अलावा, इंस्टॉलेशन का झिल्ली डिज़ाइन इसे महत्वपूर्ण दबाव ड्रॉप पर संचालित करने की अनुमति देता है, और इसके आयाम और वजन को भी कम करता है। इस उपकरण की लागत में कमी का उल्लेख नहीं है।

कई फायदे हैं, आपके पास प्रशंसा करने का समय नहीं है, लेकिन इसके नुकसान भी हैं। क्षारीय एईएम इलेक्ट्रोलिसिस का एक बहुत महत्वपूर्ण नुकसान संक्षारक केंद्रित क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने का बहुत तथ्य है। यदि आप शुद्ध पानी का उपयोग करते हैं, तो प्रदर्शन हास्यास्पद रूप से छोटा होगा (400 वी सेमी ^-2 1.8 वी पर)।

अपने अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने इस पद्धति की कुछ कमियों से छुटकारा पाने की कोशिश करने का फैसला किया, जिससे यह हाइड्रोजन के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए और अधिक आकर्षक बना। शोधकर्ताओं ने पाया कि AEM इलेक्ट्रोलाइज़र में हाइड्रोजन और ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रियाओं की गतिविधि को बढ़ाने के लिए चतुष्कोणीय अमोनियम यौगिकों की एक उच्च एकाग्रता आवश्यक है। यह भी पाया गया कि फिनाइल समूह आयनोम की मुख्य श्रृंखला में * एक नकारात्मक प्रभाव पड़ता है, उच्च एनोड क्षमता पर एसिड फिनोल का निर्माण होता है।

Ionomer * - विद्युतीय तटस्थ और आयनित यौगिक इकाइयों से मिलकर पॉलिमर को परमाणुओं के साइड ग्रुप के रूप में बहुलक बैकबोन से बंधुआ किया जाता है।

सामान्य तौर पर, वैज्ञानिक पॉलीस्टायरीन आयनोमर्स को उच्च श्रेणी के क्वाटर्नाइजेशन * के साथ विकसित करने में सक्षम थे , जिसने एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र बनाना संभव किया, जिसका प्रदर्शन आधुनिक पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र के बराबर है।

क्वाटर्नाइजेशन * 15 वें समूह (N, P, As, Sb) के तत्वों के यौगिकों का रूपांतरण है, जिनमें से परमाणुओं में एक मुक्त इलेक्ट्रॉन युग्म होता है, जब RX प्रकार (X एक आयनोइड समूह है) के अभिकर्मकों के साथ बातचीत करते हुए चतुर्धातुक लवण में होता है।

शोध का परिणाम

इससे पहले कि आप समझें कि एक उन्नत एईएम इलेक्ट्रोइज़र क्या सक्षम है, यह स्थापित करने के लिए आवश्यक था कि यह क्या नहीं कर सकता है, अर्थात, इसके प्रदर्शन को सीमित करने वाले कारकों का पता लगाएं। ऐसा करने के लिए, प्रयोगों एक घूर्णन डिस्क इलेक्ट्रोड (एक से RDE साथ आयोजित की गई घूर्णन डिस्क इलेक्ट्रोड )। आरडीई प्रयोग ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (OER), हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया (HER), ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया (ORR), और हाइड्रोजन ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया (HOR) को मापकर ईंधन कोशिकाओं और इलेक्ट्रोलिसिस कोशिकाओं में प्रयुक्त इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए विभिन्न आवश्यकताओं के बारे में जानकारी प्रदान करते हैं।

छवि नंबर 2: इलेक्ट्रोकाटलिस्ट की गतिविधि पर NaOH (सोडियम हाइड्रॉक्साइड) का प्रभाव।

ऊपर दिए गए रेखांकन OO ₂ का उपयोग करते हुए OER ध्रुवीकरण घटता दिखाते हैंऔर NaOH की सांद्रता के आधार पर एक पॉलीक्रिस्टलाइन प्लैटिनम इलेक्ट्रोड (Pt पाली) का उपयोग करके HER। AEM इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए OER और HER की गतिविधि 0.01 M (pH = 12) से 1 M (pH = 14) तक NaOH एकाग्रता बढ़ाने के साथ काफी बढ़ गई। Pt पाली की HOR गतिविधि 0.02 M ( 2b पर डालें ) के NaOH एकाग्रता में अधिकतम गतिविधि प्रदर्शित करती है । उच्च NaOH एकाग्रता (> 0.1 M) पर HOR गतिविधि का नुकसान भी एक कम वर्तमान घनत्व प्रसार के साथ था।

एक केंद्रित NaOH समाधान के साथ Pt पाली की कम HOR गतिविधि को संचयी कटियन-हाइड्रॉक्साइड-पानी सह-सोखना द्वारा समझाया गया है, जो उत्प्रेरक सतह तक हाइड्रोजन की पहुंच को सीमित करता है। हालाँकि, संयुक्त सोखना HER और OER की गतिविधि को प्रभावित नहीं करता है, क्योंकि सोखना 0 से 0.9 V तक होता है। ORR Pt पाली की गतिविधि पर NaOH सांद्रता के प्रभाव ने HOR के समान रुझान दिखाया।

पं। पाली की ओआरआर गतिविधि NaOH की सघनता को 0.01 से 0.1 M तक बढ़ाने के साथ बढ़ी, फिर NaOH की सघनता में 1 M. तक

की वृद्धि के साथ घटने लगी । प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि AEM इलेक्ट्रोलाइज़र और AEM ईंधन कोशिकाओं के लिए आवश्यक अमोनियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता हो सकती है। विभिन्न। एईएम इलेक्ट्रोलाइजर्स के लिए, उच्च आयन विनिमय क्षमता (आईईसी) के साथ एक आयनोमरआयनक्सचेंज क्षमता )। मध्यम आईईसी के साथ एक आयनोमर एईएम ईंधन कोशिकाओं के लिए बेहतर अनुकूल है, क्योंकि आयनमर्स के साथ उच्चतर आईईसी के कारण सीमित गैस हस्तांतरण होता है, जो कि सह-हाइड्रॉक्साइड-पानी के अवांछित सह-सोखना के कारण होता है।

तब वैज्ञानिकों ने यह पता लगाने का निर्णय लिया कि एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए आयनोम क्या होना चाहिए। RDE के प्रयोगों से पता चला है कि अत्यधिक कुशल AEM इलेक्ट्रोलाइज़र बनाने के लिए इलेक्ट्रोड में उच्च pH स्थिति (> 13) प्रदान करना महत्वपूर्ण है।

वर्तमान में उपलब्ध आयन एक्सचेंज आयनोमर्स में दो महत्वपूर्ण समस्याएं हैं जो एईएम कोशिकाओं में उच्च पीएच वातावरण को सीमित कर सकती हैं।

पहली समस्या आयनोम की मुख्य श्रृंखला में फेनिल समूहों की उपस्थिति है। एक पिछले अध्ययन से पता चला है कि आयनोम की मुख्य श्रृंखला में फेनिल समूह ओईआर क्षमता पर ऑक्सीकरण कर सकता है और एक फेनोलिक यौगिक बना सकता है जो अम्लीय (पीके _ए = 9.6) है। दुर्भाग्य से, अधिकांश स्थिर क्षारीय आयनोमर्स में उनकी संरचना में फेनिल समूह होते हैं।

नतीजतन, फेनील समूह वाले आयनोमर्स का उपयोग करने वाले एईएम इलेक्ट्रोलाइजर किसी भी तरह से फिनोल के गठन के लिए प्रवण होते हैं।

फिनाइल समूह के ऑक्सीकरण के पहलू में, कई अत्यंत महत्वपूर्ण विशेषताओं की खोज की गई थी। फिनोल गठन दर ओईआर उत्प्रेरक की सतह पर फिनाइल समूह की सोखना ऊर्जा से संबंधित है, और बहुलक साइड चेन में असंतृप्त फिनाइल समूह अमोनियम-प्रतिस्थापन फिनाइल समूह की तुलना में अधिक हानिकारक प्रभाव है।

पोलिरोमैटिक यौगिकों में रीढ़ के टुकड़ों की संरचना और आकार फिनाइल सोखना को दृढ़ता से प्रभावित करते हैं, जबकि साइड-फंक्शनल फिनाइल समूह अमोनियम समूहों के साथ सोखना प्रतिस्पर्धा के कारण बहुत कम सोखना ऊर्जा प्रदर्शित करता है। इसके अलावा, द्विधातु प्लैटिनम उत्प्रेरक (जैसे, PtRu, PtNi, और PtMo) प्रभावी रूप से फिनाइल सोखना ऊर्जा को कम कर सकते हैं।

दूसरी समस्या आयनों-एक्सचेंज आयनोमर्स में अमोनियम हाइड्रॉक्साइड के कार्यात्मक समूहों की कम एकाग्रता है। AEM ईंधन कोशिकाओं के लिए विकसित क्लासिक आयनों-एक्सचेंज आयनोमर्स का IEC मूल्य आमतौर पर 1.5 mEq g ^-1 (mEq - milliequivalent) है। आयनोम के लिए, पानी से भरे इलेक्ट्रोड में अनुमानित अमोनियम एकाग्रता अपेक्षाकृत कम (~ 0.1 एम) है। इलेक्ट्रोड में आयनोम का असमान वितरण आगे प्रतिक्रिया दक्षता और हाइड्रॉक्साइड की चालकता को कम करता है। इसलिए, एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए उच्च आईईसी आयनोमर्स उपयोगी होना चाहिए।

हालांकि, एक दूसरे को खींचता है, क्योंकि उच्च आईईसी वाले आयनोम के संश्लेषण के लिए कई मानदंडों को ध्यान में रखा जाना चाहिए।

सबसे पहले, प्रति बहुलक यौगिक प्रति अमोनियम समूहों की अधिकतम संख्या (परमाणुओं का समूह जो बहुलक बनाते हैं) पर एक सीमा है।

दूसरे, उच्च आईईसी आयनों एक्सचेंज आयनोमर्स अक्सर क्रियात्मक प्रक्रिया के दौरान क्रॉसलिंकिंग प्रतिक्रियाओं से गुजरते हैं, जो आगे की प्रक्रिया को जटिल बनाता है।

और तीसरा, जब आयन-एक्सचेंज आयनोमर्स को उच्च आईईसी के साथ संश्लेषित किया जाता है, तो वे अक्सर पानी में घुलनशील हो जाते हैं, जो इलेक्ट्रोड में उपयोग के लिए अनुपयुक्त है।

यह पसंद है या नहीं, इन सभी प्रतिबंधों के आसपास प्राप्त करना इतना सरल नहीं होगा। फिर भी, उपरोक्त आंकड़ों के आधार पर, वैज्ञानिकों ने कई पॉलीस्टायर्न आयनोमर्स को ट्राइमेथाइलमोनियम ( 3 ए ) के साथ क्रियाशील बनाया ।

चित्र संख्या 3: अध्ययन में प्रयुक्त पॉलिमरिक सामग्रियों की रासायनिक संरचना।

एईएम ईंधन कोशिकाओं के लिए विकसित पारंपरिक आयनोमर बाइंडरों की तुलना में बनाए गए आयनोमर्स में अद्वितीय विशेषताएं थीं।

सबसे पहले, मुख्य स्निग्ध बहुलक श्रृंखला में एक फिनाइल समूह नहीं होता है। बहुलक रीढ़ की हड्डी में एक फेनिल समूह की अनुपस्थिति फिनाइल सोखना और एसिड फिनोल के गठन की संभावना को बाहर करती है।

दूसरे, बहुलक बैकबोन में लंबे समय तक नॉनऑनिक एल्काइल श्रृंखला नहीं होती है जो बहुलक की घुलनशीलता को कम कर सकती है।

तीसरा, साइड चेन के सभी फिनाइल समूहों ने अमोनियम या अमाइन समूहों को प्रतिस्थापित किया है, जो फिनाइल समूहों के सोखने को कम करता है और उच्च पीएच को बनाए रखने में मदद करता है।

आयनोमर्स के संश्लेषण के पूरा होने पर, यह पाया गया कि उनका आईईसी 2.2 से 3.3 तक भिन्न होता है। AEM के लिए, HTMA-DAPP तैयार किया गया था, अर्थात डायल्स-एल्डर पॉलीफेनिलीन को हेक्सामेथाइलट्रीमिथाइलमोनियम ( 3 बी ) के साथ क्रियाशील किया गया । HTMA-DAPP की हाइड्रॉक्साइड चालकता 80 ° C (mS - aisiemens; Siemens - विद्युत चालकता की इकाई) में 120 mS / cm थी।

HTMA-DAPP उच्च आणविक भार बहुलक में पॉलीफेनिलीन रीढ़ उत्कृष्ट यांत्रिक शक्ति (50 ° C पर 90% सापेक्ष आर्द्रता पर 20 एमपीए) उत्कृष्ट यांत्रिक शक्ति प्रदान करता है। लेकिन चतुर्भुज पॉलीस्टायर्न झिल्ली बनाने के लिए बहुत नाजुक है और इसलिए एक जलीय एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं है, जिसके लिए यंत्रवत् स्थिर एईएम की आवश्यकता होती है।

HTMA-DAPP की क्षारीय स्थिरता भी काफी अधिक है: 80 M के लिए 4 M NaOH में> 3000 घंटे के लिए न्यूनतम अपघटन। यह संकेतक 85 डिग्री सेल्सियस के ऑपरेटिंग तापमान पर एईएम इलेक्ट्रोलिसिस परीक्षणों की गारंटी देता है।

शुद्ध पानी का उपयोग करने की स्थितियों में, झिल्ली इलेक्ट्रोड , 1.8 V और 60 ° C पर 107 mA सेमी ^-2 का वर्तमान घनत्व दिखाता है । यदि आप पानी में 0.1 M NaOH जोड़ते हैं, तो संकेतक 3.5 गुना बढ़कर 376 mA cm ^-2 पर 1.8 V और 60 ° C पर बढ़ जाते हैं ।

यदि, शुद्ध पानी का उपयोग करते समय, ऑपरेटिंग तापमान 85 डिग्री तक बढ़ जाता है, तो इलेक्ट्रोलाइज़र में वर्तमान घनत्व बढ़कर 224 mA सेमी ^{-2 हो जाएगा} ।

चित्र 4: एईएम प्रदर्शन पर आयनोमर्स का प्रभाव।

चार्ट 4 ए परअध्ययन किए गए आयनोमर के कारण इलेक्ट्रोइज़र के प्रदर्शन को सुधारने में प्रगति का प्रदर्शन किया।

इस सुधार को प्राप्त करने के लिए, पहले आयनोमेर की आवश्यक सामग्री का सही निर्धारण करना आवश्यक था। नतीजतन, ionomer के 9% wt साथ झिल्ली इलेक्ट्रोड (दो बार आधारभूत मूल्य से अधिक) की वर्तमान घनत्व 405 एमए सेमी था ^-2 1.8 वी (लाल वक्र) है, जो झिल्ली इलेक्ट्रोड (विदेश मंत्रालय) के आधारभूत मूल्य की तुलना में 1.8 गुना अधिक है पर।

इसके बाद, झिल्ली इलेक्ट्रोड और ट्राइमेथिलैमाइन (सीएच 3) 3 एन आयनों का एकीकरण किया गया था, जो एक उच्च आयनोम सामग्री पर उच्च आईईसी मूल्यों को दर्शाता था। TMA-53 (IEC = 2.6) का उपयोग करके MEA प्रदर्शन में काफी वृद्धि हुई (नीला वक्र)। 1.8 V पर, वर्तमान घनत्व 791 mA सेमी ^{-2 था}, जो TMA-45 के साथ MEA से 2.0 गुना अधिक है। TMA-62 (पर्पल कर्व) और TMA-70 (ग्रीन कर्व) के साथ 1.8 V MES में वर्तमान घनत्व क्रमशः 860 और 1360 mA सेमी ^{-2 तक} बढ़ गया। TMA-70 के साथ MEA का वर्तमान घनत्व TMA-53 के साथ MEA की तुलना में 1.7 गुना अधिक था, और 1.8 V पर बेस MEA की तुलना में 6 गुना अधिक

था। इलेक्ट्रोलाइजर प्रदर्शन पर आयनोमर्स के प्रभाव के अलावा, वैज्ञानिकों ने फिनाइल समूह के प्रभाव की भी जांच की। आयनोम ( 4 बी )। इसके लिए, प्रयोगों का आयोजन किया गया था जिसमें दो एमईए की तुलना की गई थी, जो कि एक ही थे, जिसमें बंध इलेक्ट्रोड के अपवाद थे। पहला इलेक्ट्रोड HTMA-DAP के साथ MEA है, और दूसरा TMA-53 के साथ है। आयन इलेक्ट्रोड सामग्री (9 wt।%) और दोनों इलेक्ट्रोड के लिए IEC मान (2.6) भी समान थे।

0.1 एम NaOH इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करते समय, इलेक्ट्रोलाइज़र प्रदर्शन दोनों इलेक्ट्रोड के लिए बहुत समान था: HTMA-DAPP MEA के लिए 954 mA सेमी ^-2 और TMA-53 MEA के लिए 1.052 mA सेमी ^-2 । हालांकि, अगर शुद्ध पानी का उपयोग किया गया था, तो TMA-53 (630 mA cm ^-2 ) के साथ MEA ने DAPP-HTMA (484 mA cm ^-2 ) के साथ MEA की तुलना में काफी अधिक प्रदर्शन दिखाया ।

इसी तरह के अवलोकन से संकेत मिलता है कि सेल का संचालन 0.1 एम NaOH के प्रति कम संवेदनशील है। यह इस तथ्य से समझाया जा सकता है कि फिनाइल समूह के ऑक्सीकरण से एसिड फेनोल्स को एक क्षारीय समाधान द्वारा बेअसर किया गया था।

इसके अलावा, TMA-70 के साथ MEA की विशेषताओं का अधिक विस्तृत अध्ययन प्लैटिनम समूह धातुओं वाले उत्प्रेरक का उपयोग करके किया गया था। एनआईएफई नैनोफोम पर आधारित एक उत्प्रेरक का उपयोग एनोड के रूप में किया गया था।

एनओएफ उत्प्रेरक में आयनोमर्स की विभिन्न सामग्री के साथ एमईए की विशेषताओं का सत्यापन यह निर्धारित करना संभव बनाता है कि 20 डब्ल्यूटी%। आयनोम की सामग्री सबसे प्रभावी है।

छवि नंबर 5: प्लैटिनम समूह धातुओं के उपयोग के बिना एनोड उत्प्रेरक के साथ एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल की एईएम क्षमता।

उपरोक्त ग्राफ 1 एम और 0.1 एम समाधान NaOH (60 डिग्री सेल्सियस) और शुद्ध पानी (85 डिग्री सेल्सियस) 1.8 वी पर 5.3 वी: 5.3 सेमी ^-2 (1 एम NaOH) की आपूर्ति की शर्तों के तहत एनओएम उत्प्रेरक के साथ एक एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र के प्रदर्शन संकेतक दिखाता है ; ३.२ अ सेमी ^२(0.1 एम NaOH); 2.7 एक सेमी ^-2 (साफ पानी)।

इसके अलावा, अधिक स्पष्टता के लिए, एनोड एनईएफ उत्प्रेरक के साथ एक एमईए के प्रदर्शन की तुलना प्लैटिनम समूह धातु उत्प्रेरक का उपयोग करते हुए एक प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली (पीईएम) सेल की विशेषताओं के साथ की गई थी।

1.58 V से कम वोल्टेज वाले काइनेटिक क्षेत्र में, NiFe उत्प्रेरक के साथ MEA ने PEM इलेक्ट्रोलाइज़र (छवि संख्या 5 में डालें) को पार कर लिया। यदि अधिक विस्तार से, तो 1.5 V पर वर्तमान घनत्व MEA 300 mA सेमी ^{-2 था} , और यह PEM इलेक्ट्रोलाइज़र की तुलना में दो गुना अधिक है, जहां IrO ₂ (इरिडियम ऑक्साइड) और नैनोस्ट्रक्टेड पतली फिल्मों का उपयोग किया जाता है।

छवि 6: NiFe उत्प्रेरक के साथ AEM इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं के शक्ति संकेतक।

अन्य बातों के अलावा, वैज्ञानिकों ने स्वच्छ पानी में AEM इलेक्ट्रोलाइज़र की ताकत का परीक्षण करने का भी निर्णय लिया। 6a 200 एमए सेमी ^{-2 के} निरंतर वर्तमान घनत्व पर एक एनईएफ उत्प्रेरक के साथ एक इलेक्ट्रोलाइज़र के एईएम की अल्पकालिक शक्ति परीक्षण दिखाता है । दोनों 60 और 85 डिग्री सेल्सियस पर, वोल्टेज तेजी से ~ 10 घंटे से अधिक हो गया।

यह पाया गया कि उत्प्रेरक कणों को एनोडिक और कैथोडिक आउटलेट धाराओं दोनों से धोया गया था। यह संकेत दे सकता है कि एक उच्च IEC (TMA-70) आयनोमेर ने निरंतर संचालन के दौरान उत्प्रेरक कणों को बनाए नहीं रखा।

60 डिग्री सेल्सियस पर कम आईईसी के साथ एक ही आयनोमर का उपयोग करके आयनोमर बाध्यकारी ताकत में वृद्धि हासिल की जा सकती है।

6 बी परTMA-53 आयनोमर का उपयोग करके AEM इलेक्ट्रोलाइज़र का अल्पकालिक शक्ति परीक्षण दिखाया गया है। परिणाम स्पष्ट रूप से दिखाते हैं कि 1.75 से 2.1 वी तक वोल्टेज में प्रारंभिक वृद्धि के बाद प्रणाली 100 घंटे से अधिक समय तक काम करती है। पहले 40 घंटों के दौरान वोल्टेज में प्रारंभिक वृद्धि संभवतः फिनाइल के ऑक्सीकरण के कारण होती है।

यह निष्कर्ष काफी दुखद है - हालाँकि प्रणाली प्रदर्शन के मामले में उत्कृष्ट परिणाम दिखाती है, यह स्थायित्व के मामले में समान नहीं है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट देखें ।

उपसंहार

इस काम में, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोड के लिए एक बाइंडर सिस्टम के एक मॉडल का प्रदर्शन किया जो एक एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र के प्रदर्शन को बढ़ा सकता है। इसकी विशेषताओं में यह विकल्प आधुनिक पीईएम इलेक्ट्रोलाइज़र से नीच नहीं है, जबकि इसे प्लैटिनम समूह धातुओं की आवश्यकता नहीं है, जो पूरे सिस्टम की लागत को काफी कम कर देता है।

एक घूर्णन डिस्क इलेक्ट्रोड के साथ प्रयोगों के परिणामों के आधार पर इलेक्ट्रोड के लिए एक बाइंडर को संश्लेषित किया गया था, जो एक प्रभावी हाइड्रोजन विकास प्रतिक्रिया और ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया के लिए एक उच्च स्थानीय पीएच के महत्व को दर्शाता था।

बहुलक बैकबोन से फेनिल समूहों को हटाने से एसिड फेनोल के गठन को रोकता है, जो चतुर्धातुक अमोनियम हाइड्रॉक्साइड को बेअसर कर सकता है और इलेक्ट्रोलाइट के पीएच को कम कर सकता है। इसके अलावा, आयनों और आईईसी की सामग्री को बढ़ाकर इलेक्ट्रोड के पीएच को बढ़ाया गया।

एक चतुर्भुज अमोनियम पॉलीस्टायर्न आयनोमर का उपयोग करके एक एईएम इलेक्ट्रोलाइज़र ने एक परिसंचारी क्षारीय समाधान के बिना भी उत्कृष्ट प्रदर्शन दिखाया है।

बेशक, कुछ खामियां थीं। भविष्य में, वैज्ञानिक विकसित प्रणाली के प्रदर्शन को बेहतर बनाने और इसके स्थायित्व को बढ़ाने के लिए कई अतिरिक्त अध्ययन करने का इरादा रखते हैं।

कुल मिलाकर, सभी मानी गई टिप्पणियों में इलेक्ट्रोलाइज़र की अत्यधिक कुशल प्रणाली विकसित करने के क्षेत्र में अतिरिक्त जानकारी है, और हमें यह समझने की भी अनुमति है कि अक्षय ऊर्जा को अधिक कुशलता से कैसे संग्रहीत किया जाए।

जैसा कि अध्ययन के लेखक खुद कहते हैं, लब्बोलुआब यह है कि अक्षय ऊर्जा स्रोत बहुत अस्थिर हैं। उसी अवधि के लिए, आप एक अलग मात्रा में ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं, क्योंकि विभिन्न परिस्थितियां हो सकती हैं (उदाहरण के लिए, शांत मौसम में एक पवन जनरेटर बहुत प्रभावी ढंग से काम नहीं करता है)। हालांकि, कभी-कभी ऊर्जा की अधिकता होती है जिसे कुशलता से निपटाया जाना चाहिए। इस काम के लेखकों का मानना है कि हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए इस अक्षय ऊर्जा का उपयोग आवश्यक है, जिसकी आवश्यकता केवल वर्ष-दर-वर्ष बढ़ रही है।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों। :)

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